DE3908313A1 - Permanentmagnet-gleichstrommotor ohne kommutator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Perma­ nentmagnet-Gleichstrommotor ohne Kommutator.

Bei der Verwirklichung der Elektroantriebe werden in der Praxis - unter Rücksichtnahme der sehr schnellen Entwicklung auf diesem Gebiet - die verschiede­ nen Varianten der Gleichstromantriebe verbreitet ange­ wendet. Bei diesen Antrieben werden die bekannten Gleich­ strommotore mit Kommutator angewendet. Die Schwierigkeiten bezüglich deren Betrieb sind bekannt.

Wegen des Kommutators ist der Anspruch an In­ standhaltung hoch. Nach einer bestimmten Betriebsperiode müssen die Kohlenbürsten umgetauscht und der Kommutator wieder eingeregelt bzw. adjustiert werden. Solche Gleich­ stromantriebe können zur Lösung von den praktischen Auf­ gaben mit Sicherheit nur beschränkt angewendet werden.

Wegen der obenerwähnten Nachteile hat in den letzten zwei Jahrzehnten eine ununterbrochene Vorschung zur Auswechslung der Gleichstrommotore begonnen. Die Vorsch­ ung und Entwicklung orientierten sich anfänglich zur An­ wendung von Asynchronmotoren, als der Asynchronmotor mit kurzgeschlossenem Rotor eine einfache Aufbau aufweist, es ist billig und nach dem Einbauen benötigt kaum Instandhaltung. Ein Nachteil des Asynchronmotors liegt aber darin, daß bei einem konstanten Moment die Regelung der Drehzahl nur durch einen komplizierten Frequenzwechsler gelöst werden kann. Deswegen könnten diese Systeme in der Praxis bisher den Gleichstromantrieb noch nicht vollkommen ersetzen. Ferner sind die Asynchronantriebe mit Frequenzwechsler noch zu teuer.

In einem, im letzten Jahrzehnt entwickelten neueren Antriebsystem speist der Frequenzwechsler, der schon in den Asynchronantrieben angewendet wurde, eine Synchron­ maschine, deren Rotor durch einen Permanentmagnet erregt wird. Die Drehzahl wird durch die Regelung der Frequenz verändert. Heutzutage ist diese Antriebsregelung die beste, es ist aber noch zu teuer, deshalb benötigt diese Lösung weitere wesentliche Forschungen.

Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt, einen ein­ fachen und billigen Gleichstrommotor auszubilden, was die Anwendung eines Kommutators nicht benötigt und dessen Dreh­ zahl durch die Veränderung der Spannung regelbar ist.

Die Erfindung beruht sich auf der Erkenntnis, daß das gesetzte Ziel durch eine solche Lösung erzielbar ist, wobei am Stator des Motors eine in mehreren Segmenten geteilte Ringspule angewendet wird, und am Rotor eine, der Anzahl der Segmentes der Statorwicklung entsprechende Anzahl von Permanentmagneten angeordnet wird, deren Pola­ ritäten gleichmäßig sind, d.h. alle Magnete mit demselben Pol zur Statorwicklung gerichtet werden.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Motors liegt darin, daß dessen Stator aus einem Ankereisenkörper, einer daran in Abschnitte geteilten Ankerspule und zwischen diesen angeordneten und die Ankereisenkörper miteinander verbindenden Jochen, wobei dessen Anker aus einem Rotor und daran angeordneten Permanentmagneten bestehen. Die Pole der Magnete befinden sich in den Seitenflächen des Rotors bzw. in zu diesen Seitenflächen parallel liegenden Ebenen oder in den äußeren und inneren Man­ telflächen des Rotors bzw. mit diesen Mantelflächen ko­ axialen Zylinderflächen. Die Pole der Magnete von gleichen Polaritäten werden auf derselben Seiten bzw. auf dersel­ ben Mantelflächen der Magnete angeordnet. Der die Anker­ spule der Magnete durchgehende Fluß weist eine axiale oder radiale Richtung auf.

In dem Stator können einen oder mehrere Anker­ eisenkörper umfassenden, an den Jochen befestigten Fluß­ scheiben angewendet werden. In dem Fall, wenn im Rotorteil mehrere Rotore angewendet werden, sind die Magnete zu­ einander gerichtet, bzw. sind die gleichen Pole der Mag­ nete in verschiedenen Mantelflächen angeordnet. Die Joche sind zu den äußeren oder inneren Mantelflächen bzw. Seiten­ flächen der Ankereisenkörper bzw. der Flußscheiben befestigt. Die Anzahlen der Ankerspulen, Jochen und Magneten sind gleich.

In einem gegebenen Fall sind an den Jochen Erre­ gerspulen angeordnet, und zur optoelektronischen Steuerung des Schaltstromkreises der Erregerspulen befinden sich an der Welle angeordneten Steuerscheiben, deren Anzahl mit den Anzahlen der Jochen und Magneten gleich ist.

Der Schaltstromkreis besteht aus einem dem po­ sitiven Pol des Gleichstromnetzes angeschlossenen Spann­ ungsregler und zwei dazu geschlossenen, parallel geschal­ teten Stromkreisen. Einer der Stromkreise enthält die in Reihe geschalteten Ankerspulen, wobei der andere die mit dem Schalter in Reihe geschalteten Erregerspulen. In dem Schaltstromkreis befindet sich eine Batterie.

Der erfindungsgemäße Permanentmagnet-Gleich­ strommotor ohne Kommutator wird nachstehend durch mehrere Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden, wo es zeigen

Abb. 1 den Längsschnitt des axialen Motors;

Abb. 2 dessen "gesprengte" Fernansicht;

Abb. 3 die "gesprengte" Fernansicht einer anderen Aus­ führungsvariante;

Abb. 4 den Längsschnitt einer weiteren Ausführungs­ variante;

Abb. 5 den Blockschaltbild des Schaltstromkreises;

Abb. 6 den Längsschnitt des radialen Motors; und zuletzt

Abb. 7 dessen Querschnitt.

Den Statorteil des Motors bildet ein geblätterter Ankereisenkörper 1 (siehe Abb. 1 und 2), worauf die Anker­ spulen 2 in Abschnitten geteilt angeordnet werden, im ge­ gebenen Fall in im Ankereisenkörper 1 ausgebildeten Nuten. Die in Reihe geschalteten Ankerspulen 2 bilden eine Ring­ spule.

Der Ankereisenkörper 1 ist von zwei Seiten durch zwei Flußscheiben 3 mit Lücken umgefassen; der Ankereisenkörper 1 und die Flußscheiben 3 werden auf solche Weise in einen Statorteil zusammengebaut, daß diese durch Jochen 4 zusammengefaßt werden. Die Joche 4 sind vierseitige Prismen im Falle des Ausführungs­ beispiels, die bei deren Grundplatten an den Seitenflächen 5 der Flußscheiben 3, die zum Ankereisenkörper 1 gerichtet sind, und bei einen deren Seitenplatte an der äußeren Mantelfläche 6 des Ankereisenkörpers 1 aufgelegt und be­ festigt werden.

In den zwei Nuten zwischen dem Ankereisenkörper 1 und zwei Flußscheiben 3 werden je ein Rotor 7 angeord­ net, die von den vorigen durch Luftspalte getrennt werden. An den Rotoren 7 werden die Permanentmagnete 8 auf solche Weise angeordnet, daß deren Polflächen in den Seitenflächen des Rotors 7, oder in zu diesen parallel liegenden Ebenen liegen, und alle Magnete 8 werden mit Polen von gleicher Polarität zum Ankereisenkörper 1 gerichtet. Im Falle des Ausführungsbeispiels werden die Nordpole E von allen Mag­ neten 8 zum Ankereisenkörper 1 gerichtet, wobei die Süd­ pole D in der Richtung der Flußscheiben 3 liegen. Der Ro­ tor 7 dreht um die Motorwelle 9 herum.

Die Anzahlen der Ankerspulen 2, der Joche 4 bzw. der Magnete 8 sind gleich, und diese Anzahl kann beliebig eine gerade oder ungerade Zahl sein.

Der aus dem Pol des Magnets 8 ausgetretene mag­ netische Fluß schließt sich durch den Luftspalt, den Ankereisenkörper 1, das Joch 4 und die Flußscheibe 3 am anderen Pol des Magnets 8. Als der magnetische Fluß die Ankerspulen 2 mit der Motorwelle 9 parallel durch­ fließt, nennt man diese Ausführungsvariante Axialmotor. Wenn der Motor als Generator betrieben und die Motorwelle 9 mit Hilfe einer Kraftmaschine gedreht werden, schneiden die Kraftlinien des magnetischen Felds die Ankerspulen 2 und induzieren in diesen einen Strom. Als neben den An­ kerspulen 2, die in Form einer Ringspule in Reihe geschaltet sind, die gleichen Pole der Magnete 8 vorbeigehen, kann ein Gleichstrom von den Klemmen der Ringspule abgenommen werden. Durch die Invertierung der Betriebweise wird die von den Ankerspulen 2 gebildete Ringspule mit Gleichstrom gespeist, und die Maschine kann als Motor betrieben werden, dessen Drehzahl mit der Speisespannung proportional ist.

Im Falle einer anderen Ausführungsvariante des Motors (Abb. 3) besteht der Statorteil aus zwei Anker­ eisenkörpern 1, wobei der Rotorteil aus einem einzigen Ro­ tor 7 besteht, der unter den Ankereisenkörpern 1 angeord­ net ist. Der Fluß der Magnete 8 schließt sich in diesem Fall durch die Ankereisenkörper 1 und die Joche 4. Beide von den Ankerspulen 2 gebildete Ringspule müssen entsprech­ end deren Polaritäten in den Schaltkreis eingesetzt werden.

In den Ausführungsbeispielen sind die Magnete 8 Bogenmagnete, die auf den Rotor 7, dessen Material in der Elektromaschinenbau angewendet wird, auf in selbst bekannte Weise montiert werden. In Kenntnis der ko­ erzitiven Kraft der Magnete 8 können deren Anzahl, Dimensionen und Verteilung mit der Anwendung von in selbst bekannten Magnetfeldsplanungsmethoden berechnet werden.

Im Falle einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Motors (siehe Abb. 4) werden die Joche 4 an der inneren Manterfläche des Ankereisenkörpers 1 angeordnet. Bei größeren Motoren werden die Erregerspu­ len 10 auf den Jochen 4 angewendet. Diese erhalten eine Er­ regung, als die Magnete 8 neben den Jochen 4 vorbeigehen.

Zum Zwecke der Optosteuerung der Erregung der Erregerspulen 10 wird eine Steuerscheibe auf der Motorwelle 9 montiert, die mit Ausschnitten versehen wird, wobei die Breite der Ausschnitten mit dem zentralen Winkel der Bogenlänge am Umfang der Magnete 8 gleich ist. Der Punkt P des Schalt­ stromkreises (siehe Abb. 5) ist an den positiven Pol des Gleichstromnetzes, dessen Punkt N an dessen negativen Pol angeschlossen.

An den positiven Pol P wird der gleichströmigen Spannungsregler 11 angeschlossen, der die geregelte Gleich­ spannung der Batterie 12 am Punkt P ₁ einstellt. Daran werden ferner einerseits die in Reihe geschalteten Anker­ spulen 2, andererseits der durch die Ausschnitten der Steuerscheibe optogesteuert Halbleiterschalter 13 ange­ schlossen, der zweite kann ein löschbarer Thyristor oder Transistor sein. Der Schalter 13 schaltet die mit ihm in Reihe geschalteten Erregerspulen 10 in den ent­ sprechenden Stellungen der Magnete 8 ein, d.h. als diese in der Nähe der Joche 4 vorbeigehen.

Der erfindungsgemäße Elektromotor kann auch auf solche Weise verwirklicht werden, daß der magne­ tische Fluß die Ankerspule 2 in einer, zur Motorwelle 9 senkrechten Richtung durchfließt (siehe Abb. 6 und 7); diese Ausführungsvariante wird Radialmotor genannt.

Beide, auf der Motorwelle 9 montierte Rotor 7 drehen im Inneren des gleichmäßig in zwei Teilen geteil­ ten ringförmigen Ankereisenkörpers 1. Beide Ankereisen­ körper 1 werden durch die Joche 4 zusammengefaßt, worauf die Erregerspulen 10 montiert werden können. Die Anker­ spule 2 wird in den Ankernuten 14 des Ankereisenkörpers 1 angeordnet.

Die Magnete 8 bilden auf den Rotoren 7 zylinder­ mantelförmige Abschnitte. Die Pole der Magnete 8 werden in den äußeren bzw. inneren Flächen der Rotore 7 oder in mit diesen koaxialen Zylinderflächen gelegt und deren Po­ lenanordnung wird so gewählt, daß sich die Nordpole E der Magnete 8 des einen Rotors 7 und die SüdpoIe D der Magnete 8 des anderen Rotors 7 auf der äußeren Mantel­ flächen befinden, d.h. diese sind zur Ankerspulen 2 auf dem Ankereisenkörper 1 gerichtet.

Die wichtigen Vorteile der erfindungsgemäßen Gleichstromelektromotor können darin zusammengefaßt wer­ den, daß es keinen Kommutator benötigt und die Dreh­ zahl mit der Gleichspannung proportional, ohne Verluste regelbar ist.

Liste der Bezugszeichen

 1 Ankereisenkörper
 2 Ankerspule
 3 Flußscheibe
 4 Joch
 5 Seitenfläche
 6 Mantelfläche
 7 Rotor
 8 Permanentmagnet
 9 Motorwelle
10 Erregerspule
11 Spannungsregler
12 Batterie
13 Halbleiterschalter
14 Ankernut

Claims (9)

1. Permanentmagnet-Gleichstrommotor ohne Kom­ mutator, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Statorteil aus einem Ankereisenkörper (1), daran in Abschnitten angeordneten Ankerspulen (2) und dazwischen angeordneten, die Ankereisenkörper (1) zusammenfassenden Jochen (4) besteht; daß dessen Rotorteil aus einem Rotor (7) und daran angeordneten Magneten (8) besteht, wobei die Pole (E, D) der Magnete (8) in den Seitenflächen des Rotors (7) bzw. in damit parallelen Ebenen, oder in den äußeren bzw. inneren Mantelflächen des Rotors (7) bzw. in damit koaxialen Zylinderflächen liegen; und endlich daß sich die Pole von gleichen Polaritäten auf derselber Seite bzw. in denselben Mantelflächen der Magnete (8) be­ finden.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ankerspulen (2) durch­ fließende Fluß der Magnete (8) eine axiale oder radiale Richtung weist auf.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß im Statorteil an den Jochen (4) mindestens einen Ankereisenkörper (1) umfassende Flußscheiben (3) befestigt sind.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von mehreren Rotore (7) im Rotorteil die Magnete (8) der nachbarten Rotore (7) mit gleichen Polen (E bzw. D) zueinander gerichtet sind.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von mehreren Rotore (7) im Rotorteil die gleichen Pole (E bzw. D) der Magnete (8) der nachbarten Rotore (7) in entgegengesetzten - äußeren bzw. inneren - Mantelflächen liegen.

6. Gleichstrommotor nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Joche (4) an den inneren oder äußeren Mantelflächen (6) bzw. Seitenflächen (5) der Ankereisenkörper (1) bzw. der Fluß­ scheiben (3) befestigt sind.

7. Gleichstrommotor nach einer der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ zahle der Ankereisenspulen (2) der Joche (4) und der Mag­ nete (8) gleich sind.

8. Gleichstrommotor nach einer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Jochen (4) Erregerspulen (10) angeordnet sind, zu der vor­ teilhaft optoelektronischen Steuerung deren Schaltstromkreises an der Motorwelle (9) eine mit Ausschnitten versehene Steuer­ scheibe angeordnet ist, wobei die Anzahl der Ausschnitten mit den Anzahlen der Joche (4) und der Magnete (8) gleich ist.

9. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltstromkreis aus einem dem positiven Pol (P) des Gleichstromnetzes angeschlossenen Spannungsregler (11), den Ankereisenspulen (2), die in einem Zweig beider an den Spannungsregler (11) ange­ schlossenen parallelen Schaltkreis in Reihe eingeschaltet sind, einem Schalter (13), der in dem anderen Zweig in Reihe geschaltet ist, und den Erregerspulen (10) und einer Batterie (12) besteht.